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异步处理

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在Servlet模型中,每个请求都是由某个线程处理,然后,将响应写入IO流,发送给客户端。从开始处理请求,到写入响应完成,都是在同一个线程中处理的。

实现Servlet容器的时候,只要每处理一个请求,就创建一个新线程处理它,就能保证正确实现了Servlet线程模型。在实际产品中,例如Tomcat,总是通过线程池来处理请求,它仍然符合一个请求从头到尾都由某一个线程处理。

这种线程模型非常重要,因为Spring的JDBC事务是基于ThreadLocal实现的,如果在处理过程中,一会由线程A处理,一会又由线程B处理,那事务就全乱套了。此外,很多安全认证,也是基于ThreadLocal实现的,可以保证在处理请求的过程中,各个线程互不影响。

但是,如果一个请求处理的时间较长,例如几秒钟甚至更长,那么,这种基于线程池的同步模型很快就会把所有线程耗尽,导致服务器无法响应新的请求。如果把长时间处理的请求改为异步处理,那么线程池的利用率就会大大提高。Servlet从3.0规范开始添加了异步支持,允许对一个请求进行异步处理。

我们先来看看在Spring MVC中如何实现对请求进行异步处理的逻辑。首先建立一个Web工程,然后编辑web.xml文件如下:

<web-app xmlns="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee/web-app_3_1.xsd"
    version="3.1">
    <display-name>Archetype Created Web Application</display-name>

    <servlet>
        <servlet-name>dispatcher</servlet-name>
        <servlet-class>org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet</servlet-class>
        <init-param>
            <param-name>contextClass</param-name>
            <param-value>org.springframework.web.context.support.AnnotationConfigWebApplicationContext</param-value>
        </init-param>
        <init-param>
            <param-name>contextConfigLocation</param-name>
            <param-value>com.itranswarp.learnjava.AppConfig</param-value>
        </init-param>
        <load-on-startup>0</load-on-startup>
        <async-supported>true</async-supported>
    </servlet>

    <servlet-mapping>
        <servlet-name>dispatcher</servlet-name>
        <url-pattern>/*</url-pattern>
    </servlet-mapping>
</web-app>

和前面普通的MVC程序相比,这个web.xml主要有几点不同:

  • 不能再使用<!DOCTYPE ...web-app_2_3.dtd">的DTD声明,必须用新的支持Servlet 3.1规范的XSD声明,照抄即可;
  • DispatcherServlet的配置多了一个<async-supported>,默认值是false,必须明确写成true,这样Servlet容器才会支持async处理。

下一步就是在Controller中编写async处理逻辑。我们以ApiController为例,演示如何异步处理请求。

第一种async处理方式是返回一个Callable,Spring MVC自动把返回的Callable放入线程池执行,等待结果返回后再写入响应:

@GetMapping("/users")
public Callable<List<User>> users() {
    return () -> {
        // 模拟3秒耗时:
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return userService.getUsers();
    };
}

第二种async处理方式是返回一个DeferredResult对象,然后在另一个线程中,设置此对象的值并写入响应:

@GetMapping("/users/{id}")
public DeferredResult<User> user(@PathVariable("id") long id) {
    DeferredResult<User> result = new DeferredResult<>(3000L); // 3秒超时
    new Thread(() -> {
        // 等待1秒:
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        try {
            User user = userService.getUserById(id);
            // 设置正常结果并由Spring MVC写入Response:
            result.setResult(user);
        } catch (Exception e) {
            // 设置错误结果并由Spring MVC写入Response:
            result.setErrorResult(Map.of("error", e.getClass().getSimpleName(), "message", e.getMessage()));
        }
    }).start();
    return result;
}

使用DeferredResult时,可以设置超时,超时会自动返回超时错误响应。在另一个线程中,可以调用setResult()写入结果,也可以调用setErrorResult()写入一个错误结果。

运行程序,当我们访问http://localhost:8080/api/users/1时,假定用户存在,则浏览器在1秒后返回结果:

deferred-result-ok

访问一个不存在的User ID,则等待1秒后返回错误结果:

deferred-result-error

使用Filter

当我们使用async模式处理请求时,原有的Filter也可以工作,但我们必须在web.xml中添加<async-supported>并设置为true。我们用两个Filter:SyncFilter和AsyncFilter分别测试:

<web-app ...>
    ...
    <filter>
        <filter-name>sync-filter</filter-name>
        <filter-class>com.itranswarp.learnjava.web.SyncFilter</filter-class>
    </filter>

    <filter>
        <filter-name>async-filter</filter-name>
        <filter-class>com.itranswarp.learnjava.web.AsyncFilter</filter-class>
        <async-supported>true</async-supported>
    </filter>

    <filter-mapping>
        <filter-name>sync-filter</filter-name>
        <url-pattern>/api/version</url-pattern>
    </filter-mapping>

    <filter-mapping>
        <filter-name>async-filter</filter-name>
        <url-pattern>/api/*</url-pattern>
    </filter-mapping>
    ...
</web-app>

一个声明为支持<async-supported>的Filter既可以过滤async处理请求,也可以过滤正常的同步处理请求,而未声明<async-supported>的Filter无法支持async请求,如果一个普通的Filter遇到async请求时,会直接报错,因此,务必注意普通Filter的<url-pattern>不要匹配async请求路径。

logback.xml配置文件中,我们把输出格式加上[%thread],可以输出当前线程的名称:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration>
    <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
        <layout class="ch.qos.logback.classic.PatternLayout">
            <Pattern>%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss} [%thread] %-5level %logger{36} - %msg%n</Pattern>
        </layout>
    </appender>
    ...
</configuration>

对于同步请求,例如/api/version,我们可以看到如下输出:

2020-05-16 11:22:40 [http-nio-8080-exec-1] INFO  c.i.learnjava.web.SyncFilter - start SyncFilter...
2020-05-16 11:22:40 [http-nio-8080-exec-1] INFO  c.i.learnjava.web.AsyncFilter - start AsyncFilter...
2020-05-16 11:22:40 [http-nio-8080-exec-1] INFO  c.i.learnjava.web.ApiController - get version...
2020-05-16 11:22:40 [http-nio-8080-exec-1] INFO  c.i.learnjava.web.AsyncFilter - end AsyncFilter.
2020-05-16 11:22:40 [http-nio-8080-exec-1] INFO  c.i.learnjava.web.SyncFilter - end SyncFilter.

可见,每个Filter和ApiController都是由同一个线程执行。

对于异步请求,例如/api/users,我们可以看到如下输出:

2020-05-16 11:23:49 [http-nio-8080-exec-4] INFO  c.i.learnjava.web.AsyncFilter - start AsyncFilter...
2020-05-16 11:23:49 [http-nio-8080-exec-4] INFO  c.i.learnjava.web.ApiController - get users...
2020-05-16 11:23:49 [http-nio-8080-exec-4] INFO  c.i.learnjava.web.AsyncFilter - end AsyncFilter.
2020-05-16 11:23:52 [MvcAsync1] INFO  c.i.learnjava.web.ApiController - return users...

可见,AsyncFilterApiController是由同一个线程执行的,但是,返回响应的是另一个线程。

DeferredResult测试,可以看到如下输出:

2020-05-16 11:25:24 [http-nio-8080-exec-8] INFO  c.i.learnjava.web.AsyncFilter - start AsyncFilter...
2020-05-16 11:25:24 [http-nio-8080-exec-8] INFO  c.i.learnjava.web.AsyncFilter - end AsyncFilter.
2020-05-16 11:25:25 [Thread-2] INFO  c.i.learnjava.web.ApiController - deferred result is set.

同样,返回响应的是另一个线程。

在实际使用时,经常用到的就是DeferredResult,因为返回DeferredResult时,可以设置超时、正常结果和错误结果,易于编写比较灵活的逻辑。

使用async异步处理响应时,要时刻牢记,在另一个异步线程中的事务和Controller方法中执行的事务不是同一个事务,在Controller中绑定的ThreadLocal信息也无法在异步线程中获取。

此外,Servlet 3.0规范添加的异步支持是针对同步模型打了一个“补丁”,虽然可以异步处理请求,但高并发异步请求时,它的处理效率并不高,因为这种异步模型并没有用到真正的“原生”异步。Java标准库提供了封装操作系统的异步IO包java.nio,是真正的多路复用IO模型,可以用少量线程支持大量并发。使用NIO编程复杂度比同步IO高很多,因此我们很少直接使用NIO。相反,大部分需要高性能异步IO的应用程序会选择Netty这样的框架,它基于NIO提供了更易于使用的API,方便开发异步应用程序。

练习

使用Spring MVC实现异步处理请求

小结

在Spring MVC中异步处理请求需要正确配置web.xml,并返回CallableDeferredResult对象。


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